黄色和红色硅化木的颜色成因探讨

2023-11-01雷芳芳

河北北方学院学报（自然科学版） 2023年9期

关键词：赤铁矿吸收光谱拉曼

雷芳芳

(福建船政交通职业学院土木工程学院，福建福州 350007)

0 引言

硅化木是一种硅质岩，是亿万年前树木埋藏地下木质纤维被硅质交代形成的，主要化学组成为SiO2。硅化木颜色丰富多彩，其中质地细腻、颜色艳丽的红、黄色硅化木深受人们喜爱，主要被加工制作成摆件进行出售(图1)，具有良好的市场前景。

图1 红色硅化木摆件

前人已从古生态环境[1]、地球化学特征[2]、宝石学特征[3]、成因机制[4]等方面对硅化木展开研究，然而鲜少分析其颜色成因。已有研究发现，黄、红色玉石的颜色成因与铁质矿物密切相关，如新疆塔县黄色石英岩由针铁矿充填于玉石颗粒间致色[5]；云南保山和四川凉山南红玛瑙的红色主要与赤铁矿有关[6-7]；陕西红色秦紫玉主要由赤铁矿和针铁矿以细微包裹体的形式致色[8]；细尘状赤铁矿是引起桂林鸡血玉呈红色的根本原因，且当赤铁矿越密集，红色越深[9]。

鉴于此，本次研究选取黄色和红色硅化木样品为研究对象，借助偏光显微镜、X射线荧光光谱仪、激光拉曼光谱仪、紫外-可见-近红外分光光度计等现代仪器设备详细分析了样品的显微结构、化学成分及谱学特征，探究颜色成因，旨在为完善硅化木的研究体系提供有益参考。

1 样品及实验测试

1.1 样品及基本特征

本文研究的样品共3件，采自云南省瑞丽市硅化木批发市场，样品编号AH-01至AH-03，均为粒状结构(图2)。肉眼观察样品AH-01结构致密；样品AH-02结构疏松，可见少量细小孔洞分布其间；样品AH-03可见明显暗色包体。硅化木样品的基本特征见表1。

表1 硅化木样品基本特征

图2 硅化木研究样品照片

1.2 测试仪器及工作条件

显微结构观察：采用莱卡DM4P型偏光显微镜；样品制备：将样品磨制成岩石薄片。

化学成分分析：采用EDX-7000能量色散型X射线荧光光谱仪；测试条件：电压50kV，电流1.00 mA，测试范围2 mm。

谱学分析：采用HR Evolution型激光拉曼光谱仪对样品进行拉曼光谱分析，测试条件：激发光源波长532 nm，激光功率30～40 mW，仪器分辨率1 cm-1，单次积分时间10 s，扫描3次；紫外-可见光吸收光谱分析所用仪器为UV3600紫外-可见-近红外分光光度计，测试条件：以硫酸钡为基底，分辨率0.1 nm，范围250～1 000 nm，时间间隔1 s，为准确分析紫外-可见光吸收光谱数据，采用origin对光谱进行一阶导数求导处理。

2 结果与讨论

2.1 偏光显微镜观察

偏光显微镜观察结果显示(图3)，研究样品具显晶质粒状结构，主要矿物组成为α-石英，含量大于90%，且石英分布较均匀，呈他形粒状，边界呈锯齿状，具正低突起，一轴晶，正光性，干涉色为Ⅰ级黄白，具有平行消光。此外，在石英颗粒间赋存有呈点状(图3a)、浸染状(图3b)的黄色矿物及呈浸染状(图3c)的红色矿物，其中浸染状矿物颗粒形态、尺寸均无法辨认，可能是因为这些矿物粒度极小，尺寸为纳米级；点状分布的矿物颗粒边界清晰，大小约为5 μm，无固定晶形。前人研究指出[5-9]，玉石的黄色多与针铁矿有关，红色多由赤铁矿致色，其中针铁矿大多呈黄色～黄褐色，偏光显微镜下通常半透明，隐晶质赤铁矿大多呈红色，偏光显微镜下常具不透明状，据此初步推断样品的黄、红色致色矿物分别为针铁矿和赤铁矿，其致色方式有两种：一是纳米级针铁矿、赤铁矿隐晶质集合体呈浸染状充填于石英粒间致色，二是针铁矿微晶颗粒呈点状富集于石英粒间致色。

图3 硅化木研究样品的显微特征

2.2 化学成分分析

为准确分析黄色和红色硅化木的化学成分，采用X射线荧光光谱仪对3件样品进行主量元素定量测试，见表2。结果显示，黄色和红色硅化木的主要化学成分均为SiO2，含量在98%wt以上，次要化学成分包括P2O5(0.01～0.02%wt)、Fe2O3(0.12～0.17%wt)、CaO(0.04～0.08%wt)、NiO(0.01%wt)、Al2O3(0.20～0.22%wt)、MgO(0.02～0.03%wt)等，其他元素如Ti、K、Na、Mn含量则低于检出限。值得注意的是致色元素Fe的含量较高，推测其存在是导致硅化木呈现黄色、红色的主要原因。

表2 硅化木研究样品的主量元素质量分数/%wt

2.3 拉曼光谱分析

选取AH-01样品点状分布的黄色颗粒、AH-02样品浸染状分布的黄色区域及AH-03样品浸染状分布的红色区域采用点测法进行拉曼测试(图4)，测试点位于图3标记的红框内。从图4a可以看出，AH-01样品点状分布的黄色颗粒与AH-02样品浸染状分布的黄色区域的拉曼光谱基本一致，表现为300、385、550、995及1 299 cm-1处的拉曼峰，且与RRUFF拉曼数据库中针铁矿的标准峰位基本吻合，据此推断黄色硅化木的致色矿物主要为针铁矿；图4b中样品AH-03主要表现为242、293、410、610、810和1 318 cm-1处强弱不一的拉曼峰，与RRUFF拉曼数据库中赤铁矿的标准谱峰基本一致，由此说明红色硅化木主要由赤铁矿致色；3件样品中465 cm-1处吸收峰是α-石英的特征拉曼峰(图4a～4b)，是由Si-O键的弯曲伸缩振动所致，且128 cm-1附近谱峰与[SiO4]的旋转或平移振动有关[10-11]。

图4 硅化木研究样品的拉曼光谱

2.4 紫外-可见光吸收光谱分析

选取AH-01样品的黄色区域、AH-02样品的黄色和红色区域以及AH-03样品的红色区域进行紫外-可见光吸收光谱分析，结果显示(图5)主要吸收分别位于363、365、468、475、542及544 nm处，其一阶导数图谱(图6)主要峰位为388、390、435、535、536、592、594、698、699 nm。前人研究发现[12]，针铁矿的紫外-可见光吸收光谱一阶导数光谱的特征峰是位于535～545 nm的主峰并伴有435 nm次级峰，赤铁矿的特征峰主要集中在555～595 nm。图6显示AH-01和AH-02样品的黄色区域的特征峰比较一致，在435、535和536nm处均出现了明显峰位，据此判断黄色主要为针铁矿致色；AH-02和AH-03样品的红色区域均出现了典型的赤铁矿特征峰，前者在592 nm处有较强峰位，后者的主要特征峰出现在594 nm处，表明红色致色矿物主要为赤铁矿。

图5 硅化木研究样品的紫外-可见吸收光谱图6硅化木研究样品的紫外-可见光吸收光谱一阶导数图谱

2.5 颜色成因探讨

通过对黄色和红色硅化木样品的综合测试分析，本文最终确定黄色硅化木主要为针铁矿致色，红色是由赤铁矿引起，主要有以下几点依据：

(1)薄片观察时黄色硅化木样品点状及浸染状分布的区域均为黄色～黄褐色，半透明，与针铁矿的显微特征相同；红色硅化木样品浸染状分布的区域为红色，不透明，与赤铁矿的显微特征相同；(2)X射线荧光光谱测试中黄色和红色样品中均检测出含量较高的Fe元素；(3)拉曼光谱测试中样品的黄色颗粒及黄色区域均检测到了针铁矿，红色区域检测到了赤铁矿；(4)紫外-可见光吸收光谱分析中样品的黄色区域出现了针铁矿典型一阶导数图谱，红色区域的一阶导数图谱具有赤铁矿特征峰。综上表明硅化木的黄色和红色分别与针铁矿、赤铁矿物相的存在有关。